УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ БАРОМЕТРИЧЕСКОЙ ВЫСОТЫ ПОЛЕТА Российский патент 1995 года по МПК G06G7/78 

Изобретение относится к специализированным вычислительным средствам и может быть использовано в авиационных тренажерах (АТ) и исследовательских стендах.

Барометрическая высота полета является одной из основных характеристик, по которым в сознании оператора формируется информационная модель полета. Основным требованием к моделируемой барометрической высоте является то, чтобы информация на АТ, поступающая оператору об этой высоте по зрительному каналу, была подобна той, которую оператор получает на реальном летательном аппарате (ЛА). Это подобие, в свою очередь, на АТ позволяет прививать оператору правильные навыки пилотирования.

Известно устройство для моделирования высоты полета [1] содержащее набор датчиков параметров окружающей среды и вычислительные блоки. В процессе имитации полета в данном устройстве моделируются геометрическая (абсолютная) высота полета (высота относительно уровня моря), истинная высота (радиовысота) полета (высота относительно пролетаемого (текущего) уровня местности) и барометрическая (относительная) высота полета (высота относительно уровня местности, для которого известна величина атмосферного давления у земли). В этом устройстве барометрическая высота полета моделируется без учета распределения атмосферного давления воздуха от силы тяготения. В реальных условиях параметры атмосферы (давление, плотность) зависят от ускорения свободного падения и вызывают изменение показаний барометрической высоты, индицируемой барометрическим указателем высоты в кабине ЛА. Отсюда следует, что неточное моделирование барометрической высоты полета отрицательно сказывается на формировании навыков пилотирования в процессе обучения операторов на АТ.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для моделирования барометрической высоты полета [2] Оно содержит интегратор высоты, блок памяти, ключ, три сумматора, датчик текущего уровня местности, датчики атмосферного давления и температуры воздуха (наружной температуры) на текущем уровне местности и блоки вычисления поправок на изменение атмосферного давления и наружной температуры.

В процессе имитации полета в устройство из вычислителя имитатора динамики полета поступает сигнал, пропорциональный вертикальной скорости полета, а с датчиков поступают сигналы, пропорциональные параметрам окружающей среды. По этим сигналам в устройстве решаются уравнения абсолютной, истинной и барометрической высоты полета:
H_абс h_мо + Н_отн;
Н_ист Н_абс h_м;
Н_б Н_ист + ΔН_р + ΔН_т, где Н_абс абсолютная (геометрическая) высота полета;
Н_ист истинная высота полета;
H_отн= ∫v_ydt относительная высота полета;
Н_б барометрическая высота полета;
V_у вертикальная скорость полета;
h_мо задаваемое значение уровня аэродрома взлета;
h_м задаваемое значение пролетаемого (текущего) уровня местности;
ΔН_р f(P₀) поправка, учитывающая изменение атмосферного давления;
ΔН_т поправка, учитывающая изменение температуры наружного воздуха;
Р₀ задаваемое значение атмосферного давления у земли.

Таким образом, на выходе данного устройства вырабатывается напряжение, пропорциональное барометрической высоте полета с учетом методических погрешностей барометрического высотомера. Это напряжение поступает в имитатор барометрического высотомера в кабине АТ, представляющей собой прибор со встроенной следящей системой, которая преобразует входное напряжение в угол поворота стрелки этого прибора.

Из приведенных уравнений видно, что моделируемая в устройстве барометрическая высота полета не учитывает потенциал силы тяжести, т.е. не является геопотенциальной высотой.

В реальных условиях статическое давление воздуха на высоте полета зависит не только от геометрической высоты, давления у земли и температуры воздуха, но и от ускорения свободного падения и, следовательно, реальный барометрический высотомер, измеряющий это давление, индицирует геопотенциальную высоту, однозначно характеризующую потенциальную энергию силы тяжести.

Рост интенсивности воздушного движения вызывает сокращение интервалов вертикального эшелонирования и требует от экипажей ЛА тщательного выдерживания заданной геопотенциальной высоты полета по барометрическому высотомеру. Это повышает безопасность полетов.

Таким образом, прототип не позволяет моделировать барометрическую геопотенциальную высоту полета. Это приводит к тому, что имитируемые в устройстве значения барометрической высоты не совпадают со значениями высоты, наблюдаемыми оператором в аналогичных условиях в реальном полете. Это, в свою очередь, приводит к тому, что оператору в процессе обучения на АТ прививаются ложные навыки по выдерживанию заданной высоты полета. Указанный недостаток снижает эффективность обучения операторов на АТ.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей устройства за счет моделирования геопотенциальной барометрической высоты полета.

Цель достигается тем, что в устройство для моделирования барометрической высоты полета введен блок вычисления поправки на изменение распределения атмосферного давления воздуха от силы тяготения, выход которого соединен с четвертым входом третьего сумматора, а вход с выходом первого сумматора.

Во введенном блоке моделируется поправка ΔН_д к барометрической высоте полета по выражению
ΔH_д где h геометрическая высота полета;
r условный радиус земли.

Реализация этой поправки обеспечивает моделирование геопотенциальной барометрической высоты полета, что является существенным отличием от известного устройства.

На фиг.1 представлена схема устройства для моделирования барометрической высоты полета; на фиг.2 схема блока вычисления поправки на изменение распределения атмосферного давления воздуха от силы тяготения.

Устройство для моделирования барометрической высоты полета содержит интегратор 1 высоты, первый сумматор 2, второй сумматор 3, датчик 4 текущего уровня местности, ключ 5, блок 6 памяти, датчик 7 атмосферного давления на текущем уровне местности, блок 8 вычисления поправки на изменение атмосферного давления, третий сумматор 9, датчик 10 наружной температуры на текущем уровне местности, блок 11 вычисления поправки на изменение наружной температуры и блок 12 вычисления поправки на изменение распределения атмосферного давления воздуха от силы тяготения. Блок 12 включает перемножитель 13, узел 14 деления, источник 15 опорного напряжения, сумматор 16.

В основу работы устройства положено уравнение
Н_б Н_ист + ΔН_р + Δ Н_т ΔН_д, (1) где Н_б текущее значение барометрической высоты полета;
Н_ист текущее значение истинной высоты полета;
ΔН_р текущее значение поправки, учитывающее изменение атмосферного давления на текущем уровне местности;
ΔН_т текущее значение поправки, учитывающее изменение температуры наружного воздуха на текущем уровне местности;
ΔН_д текущее значение поправки, учитывающее изменение распределения атмосферного давления воздуха от силы тяготения.

Текущее значение истинной высоты полета описывается уравнением
Н_ист h h_м, (2) где h h_мо + H_отн текущее значение геометрической высоты полета (высота относительно уровня моря);
h_мо уровень аэродрома взлета;
Н_отн ∫ V_ydt текущее значение относительной высоты полета (высота относительно аэродрома взлета);
h_м задаваемое значение текущего уровня местности;
V_y вертикальная скорость полета.

Текущее значение поправки ΔН_р вычисляется как ΔН_р f(P_м), где Р_м задаваемое значение атмосферного давления на текущем уровне местности.

Текущее значение поправки ΔН_т вычисляется по уравнению
ΔH_т= [f(h)-h_м] 1
(3) где Т₀ 288 К;
β_o 0,0065 град/м температурный градиент для стандартной атмосферы;
Т_ф задаваемая фактическая температура воздуха на текущем уровне местности (К).

Текущее значение поправки ΔН_д вычисляется как
ΔH_д= (4)
Устройство для моделирования барометрической высоты полета (фиг.1) работает следующим образом.

Перед началом работы устройства на датчиках 4, 7 и 10 устанавливаются соответственно уровень местности, величина атмосферного давления и температура воздуха на аэродроме взлета. По сигналу "Начальные условия" напряжение, пропорциональное уровню местности аэродрома взлета h_мо, с датчика 4 через ключ 5 поступает в блок 6 памяти. После введения начальных условий на вход интегратора 1 высоты из имитатора динамики полета подается напряжение, пропорциональное вертикальной скорости полета V_y. На выходе интегратора 1 появляется напряжение, пропорциональное относительной высоте полета Н_отн.

На первом сумматоре 2 моделируется уравнение h h_мo + H_отн, для чего на первый вход этого сумматора подается напряжение с интегратора 1 высоты, а на второй вход напряжение с выхода блока 6 памяти. На выходе первого сумматора 2 снимается напряжение, пропорциональное геометрической высоте полета h.

На втором сумматоре 3 моделируется первое слагаемое уравнения (1), для чего на первый вход этого сумматора напряжение с первого сумматора 2, а на второй вход напряжение с датчика 4 уровня местности, пропорциональное заданному текущему уровню местности h_м. С выхода второго сумматора 3 снимается напряжение, пропорциональное текущему значению истинной высоты полета Н_ист.

Второе слагаемое уравнения (1) моделируется в блоке 8 вычисления поправки на изменение атмосферного давления ( ΔН_р). Для вычисления этой поправки с датчика 7 снимается напряжение, пропорциональное заданному значению атмосферного давления Р_м на текущем уровне местности, и подается на вход блока 8. Поправка ΔН_р в блоке 8 вычисляется путем воспроизведения функциональной зависимости ΔН_рf(P_м). Реализация вычисления поправки ΔН_р в блоке 8 аналогична вычислению в устройстве-прототипе.

Третье слагаемое уравнения (1) моделируется в блоке 11 вычисления поправки на изменение наружной температуры ( ΔН_т). В основу вычисления этой поправки положено уравнение (3). Для вычисления поправки ΔН_т на первый вход блока 11 с выхода первого сумматора 2 подается напряжение, пропорциональное геометрической высоте полета h, на второй вход блока 11 с выхода датчика 4 подается напряжение, пропорциональное заданному значению текущего уровня местности h_м. На третий вход блока 11 с выхода датчика 10 подается напряжение, пропорциональное заданному значению температуры наружного воздуха Т_ф на текущем уровне местности. Реализация вычисления поправки ΔН_т в блоке 11 аналогична вычислению в устройстве-прототипе.

Четвертое слагаемое уравнения (1) моделируется в блоке 12 вычисления поправки на изменение распределения атмосферного давления воздуха от силы тяготения ( ΔН_д). В основу вычисления этой поправки положено выражение (4). Для вычисления поправки ΔН_д на вход блока 12 с выхода первого сумматора 2 подается напряжение, пропорциональное геометрической высоте полета h.

Суммирование слагаемых Н_ист, Δ Н_р, ΔН_т, ΔН_д уравнения (1) осуществляется на третьем сумматоре 9. На первый вход этого сумматора с выхода второго сумматора 3 подается напряжение, пропорциональное текущему значению истинной высоты полета Н_ист. На второй вход сумматора 9 с выхода блока 8 вычисления поправки на изменение атмосферного давления подается напряжение, пропорциональное текущему значению поправки ΔН_р. На третий вход сумматора 9 с выхода блока 11 вычисления поправки на изменение наружной температуры подается напряжение, пропорциональное текущему значению поправки ΔН_т. На четвертый вход сумматора 9 с выхода блока 12 вычисления поправки на изменение распределения атмосферного давления воздуха от силы тяготения подается напряжение, пропорциональное текущему значению поправки ΔН_д.

С выхода третьего сумматора 9 снимается напряжение, пропорциональное алгебраической сумме слагаемых Н_ист + ΔН_р + +Δ Н_т ΔН_д, т.е. пропорциональное текущей геопотенциальной барометрической высоте.

Поправка ΔН_д реализуется в блоке 12 (фиг.2) по выражению (4). При этом произведение h ^.h моделируется на перемножителе 13, для чего на первый и второй входы этого перемножителя поступает напряжение, пропорциональное параметру h. Выражение r + h моделируется на сумматоре 16, для чего на первый вход этого сумматора с выхода источника 15 опорного напряжения подается напряжение, пропорциональное параметру z, а на второй вход сумматора 16 поступает напряжение, пропорциональное параметру h.

Операция деления реализуется на узле 14 деления, для чего на первый вход этой схемы с выхода перемножителя 13 подается напряжение, пропорциональное делимому, а на второй вход узла 14 с выхода сумматора 16 поступает напряжение, пропорциональное делителю. На выходе узла 14 снимается напряжение, пропорциональное выражению , т.е. пропорциональное текущему значению поправки ΔН_д.

Таким образом, введение в устройство для моделирования барометрической высоты полета блока вычисления поправки на изменение распределения атмосферного давления воздуха от силы тяготения и подсоединение его согласно приведенной схеме по сравнению с прототипом за счет имитации во введенном блоке зависимости статического атмосферного давления воздуха от ускорения свободного падения и учета этой зависимости с помощью специальной поправки в показаниях регистратора высоты позволяют при имитации горизонтального полета на заданной высоте (при имитации вертикального эшелонирования) повысить точность моделирования барометрической высоты полета (т.е. позволяет моделировать геопотенциальную барометрическую высоту) и тем самым приблизить показания указателя барометрической высоты в кабине АТ к тем, какие оператор наблюдает в реальном полете, что, в свою очередь, позволяет повысить качество обучения операторов на АТ.

Изобретение относится к специализированным вычислительным средствам и может быть использовано в авиационных тренажерах. Устройство содержит интегратор высоты, датчики уровня местности, атмосферного давления и температуры воздуха, блок памяти, ключ, три сумматора, блоки вычисления поправок на изменение атмосферного давления и температуры воздуха и блок вычисления поправки на изменение распределения атмосферного давления воздуха от силы тяготения. По сигналам с датчиков и по значению вертикальной скорости, поступающей из вычислителя тренажера, в устройстве решается уравнение геопотенциальной барометрической высоты полета. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ БАРОМЕТРИЧЕСКОЙ ВЫСОТЫ ПОЛЕТА, содержащее интегратор, три сумматора, датчик текущего уровня местности, ключ, блок памяти, датчик атмосферного давления на текущем уровне местности, блок вычисления поправки на изменение атмосферного давления, датчик наружной температуры на текущем уровне местности и блок вычисления поправки на изменение наружной температуры, причем вход интегратора является входом задания вертикальной скорости полета устройства, выход интегратора подключен к первому входу первого сумматора, выход которого соединен с первым входом блока вычисления поправки на изменение наружной температуры и с первым входом второго сумматора, выход второго сумматора подключен к первому входу третьего сумматора, выход которого является выходом устройства, выход датчика текущего уровня местности подключен к второму входу блока вычисления поправки на изменение наружной температуры, к второму входу второго сумматора и через ключ к входу блока памяти, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, выход датчика атмосферного давления на текущем уровне местности соединен с входом блока вычисления поправки на изменение атмосферного давления, выход которого подключен к второму входу третьего сумматора, третий вход которого соединен с выходом блока вычисления поправки на изменение наружной температуры, третий вход которого подключен к выходу датчика наружной температуры на текущем уровне местности, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства за счет моделирования геопотенциальной барометрической высоты полета, в устройство введен блок вычисления поправки на изменение распределения атмосферного давления воздуха от силы тяготения, выход которого соединен с четвертым входом третьего сумматора, а вход с выходом первого сумматора. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок вычисления поправки на изменение распределения атмосферного давления воздуха от силы тяготения содержит сумматор, источник опорного напряжения, узел деления и перемножитель, выход которого подключен к первому входу узла деления, выход которого является выходом блока, выход источника опорного напряжения соединен с первым входом сумматора, выход которого подключен к второму входу узла деления, второй вход сумматора, первый и второй входы перемножителя объединены и являются входом блока.